潛艇動力電池技術發展綜述

范昕

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潛艇動力電池技術發展綜述

范昕

（海裝武漢局，武漢 430064）

對潛艇動力電池進行探討，介紹了當前潛艇用動力電池特點。根據潛艇對動力電源的要求，探討了最具潛力的動力電池的性能特點、當前狀況及在潛艇中的應用前景。

動力電池鉛酸電池鋰離子電池

0 引言

常規潛艇在水下航行時由蓄電池提供。作為潛艇用水下動力的蓄電池，均需具備以下性能：容量大，能量密度和功率密度高；壽命長；可靠性高；充電時間短；允許在高溫高濕條件下工作。

1 潛艇動力電池現狀分析

由于新型高能電池安全可靠性等技術方面的發展限制，各國潛艇用動力電池均為鉛酸蓄電池。

潛艇用鉛酸蓄電池是動力電池中規模最大、技術最成熟的實用電源。1901年，英國CHLORIDE公司首先將鉛酸蓄電池用于HOLLANⅠ型潛艇，此后歷經百年不衰，至今鉛酸蓄電池仍然是常規潛艇水下的主動力源，也是核潛艇的應急備用電源。

主要潛艇用動力蓄電池生產國家有德、英、法、瑞典、俄、中等國，其中以德國、俄國技術水平最高，中國技術水平也不遜色。最先進的潛艇動力蓄電池有德國85型蓄電池和俄羅斯476型蓄電池，比能高，壽命長達5年以上，實現了高比能和長壽命的統一，而且析氫量也大幅度降低。這些蓄電池均采用了先進極板技術、新型合金材料、銅板柵、玻璃鋼蓄電池槽、極柱水冷、新型電液循環技術及防短路措施等新技術，達到了長壽命、高比能、低析氫量的目標。

雖然鉛酸蓄電池在今后很長一段時間內將仍然是常規潛艇的水下主動力源和核潛艇的應急電源，但是新一代高性能潛艇和戰略核潛艇對動力電池的能量密度、免維護性能提出了更高的要求。目前能夠投入實用的鉛酸蓄電池已經遠遠不能滿足這些新的要求，必須改進、提高現有鉛酸蓄電池性能，研制長壽命、高比能、少維護或免維護潛艇用鉛酸蓄電池，同時探索新型高能電池技術及其艇用化技術，這些都是形式發展所需要的。

2 新型動力電池技術展望

從目前技術發展水平和應用情況分析，超級鉛酸電池、鋰離子動力電池、燃料電池最有潛力成為未來的潛艇動力電池。

2.1 超級鉛酸電池

超級鉛酸電池是一種新型儲能電源（見圖1）：正極為鉛酸電池的正極板，負極為超級電容器的炭電極和鉛酸電池的鉛電極組合而成的復合電極，兼具電容和電池雙功能儲能的特點。超級鉛酸電池在保持動力電池能量密度，且不增加復雜電路的情況下，同時兼有超級電容器的高功率密度、大電流充放電、超長循環壽命等特性。

圖1 超級鉛酸電池原理示意圖

國外一些研究機構對超級鉛酸電池的綜合性能進行了廣泛的研究和測試，大量應用實例證實，超級鉛酸電池在很多領域可代替傳統的鉛酸電池，在電動汽車、電力、鐵路、通信、潔凈能源等領域有著巨大的市場影響力和應用前景。古河蓄電池公司將生產的 12 V超級鉛酸電池組成 144 V電池模塊，替代原來的Ni-MH電池模塊，安裝在 Honda Isight 混合動力汽車（HEV）上。安裝了超級鉛酸電池的日本 Honda Isight HEV在英國倫敦附近的 Millbrook 試驗場進行實車測試，完成了170 000 km的行駛距離，而且電池組性能仍然良好。2009 年 8 月，美國總統奧巴馬宣布，撥款24億美元支持48 個項目發展下一代電池和電動車生產，美國 East Pann公司獲得了美國政府3250萬美元的資助，生產超級鉛酸電池用于 HEV，East Pann 電池公司將超級鉛酸電池組安裝到中等混合電動車 Honda Civic，經過測試，超級鉛酸電池能滿足在HEV中的應用。英國政府也大力發展動力汽車（EV），由英國政府資助，安裝超級鉛酸電池組的插電式混合電動面包車正在 Mill-brook 賽道上進行實地測試。美國 Axion 公司生產的超級鉛酸電池不僅在HEV中有應用，而且美國海軍陸戰隊在一些戰車上也測試了特別版本的 Axion 電池，可見超級鉛酸電池在軍工方面也具有應用潛力。此外，美國AEP成功研發出50 kWh 三相流480 V，直流48 V的超級鉛酸電池儲能系統，并將其應用于辦公大樓和公共場所儲能；Axion Power公司基于超級鉛酸電池技術制造出的先進儲能系統被稱為PowerCube?電池儲能系，被應用于美國電網運營商PJM公司的調頻市場領域。

超級鉛酸電池除了在EV、HEV和儲能領域有應用外，在移動通信、信息技術、消費電子、固定型電池、UPS 航空航天和國防科技等領域也具有重要和廣闊的應用前景，目前，在世界范圍內引起了極大的關注。

超級鉛酸電池已被公認為是“下一代先進電池”的杰出代表，也是潛艇用鉛酸蓄電池技術新的發展方向，其裝備發展需求主要體現在以下幾個方面：一是超級鉛酸電池易于實現快速充電，可縮短充電時間，滿足常規潛艇提高隱蔽性的需求；二是大電流放電特性好，可顯著延長常規潛艇高速航行時間，滿足常規潛艇提升機動能力的需求。三是能量密度高，可滿足常規潛艇提高續航力、增加有效載荷的需求。

綜上，超級鉛酸電池綜合性能優良，對潛艇動力系統的發展和總體作戰能力的提升具有重要意義，是潛艇動力電池新的發展方向。

2.2 鋰離子動力電池

鋰離子電池的概念是Armand在1980年提出的，電池的正負極材料是可以嵌入鋰離子的嵌合物，被人們形象地稱為“搖椅式電池”（原理如圖2）。第一個商品化鋰離子電池在10多年前由Sony公司投放市場，該電池體系的正負極材料分別為嵌鋰化合物LiCoO2和焦碳。

鋰離子電池作為小型電源已經取得了很大的成功，作為大型動力電池，其大規模組合應用的安全性問題尚未徹底解決，但是由于其比能高、單體電壓高、壽命長等特點，應用前景仍然是最看好的。

德國HDW船廠和TKMS公司分部自1990年代末期已經對潛艇用鋰離子電池技術進行研究。德國HDW船廠與德國GAIA鋰技術公司合作研制的鋰離子電池單體容量達485Ah，具備0.5C的快速充電能力；此外，已開發出潛艇用鋰離子電池模塊，電壓等級達到83V，并配備電池管理系統（BMS）。法國薩弗特（SAFT）公司是無人潛器鋰離子動力電池的主要供應商，還為運送蛙人的載人潛艇提供鋰離子動力電池。從2003年開始，法國艦艇建造局（DCN）與薩弗特公司合作，共同研發潛艇用鋰離子動力電池模塊。資料表明，薩弗特公司鋰離子動力電池已完成樣機制造，并計劃在法國“鲉魚”級潛艇上進行海上試驗。日本湯潛公司（YAUSA）生產的錳酸鋰動力電池已裝備于小型無人潛艇，并于1999年10月完成了水下試驗。另外，日本英耐時（ENAX）公司也很早就已經開展了常規潛艇鋰離子動力電池的相關研發工作。此外，日本海上自衛隊近期宣布，2015年開工的蒼龍級潛艇將裝配鋰離子動力電池作為動力電源。荷蘭HUGIN1000型自動水下航行器的電池系統由聚合物鋰離子動力電池和燃料電池組成。此外，俄羅斯等其它國家也在進行潛艇用鋰離子動力電池研究。

圖2 鋰離子電池充放電機理

從國外的技術發展來看，鋰離子動力電池在海軍水下武器裝備的應用，正從小型水下航行器、電動魚雷發展到更大的小型潛艇、甚至水面雙體船；裝備對象也在從無人操作過渡到載人航行。不僅如此，從技術發展水平來看，眾多國家早已開展潛艇用大功率鋰離子動力電池單體、模塊和系統技術的研究工作；某些發達國家潛艇用鋰離子動力電池已處在陸上聯調及海上試驗階段；個別國家已經開始著手于鋰離子動力電池裝備于潛艇的適裝性設計、甚至裝艇的工程化工作。

綜上所述，鋰離子動力電池技術在海軍武器領域的推廣應用順應了海軍武器裝備的發展需求，而且縱觀各國的技術發展可以看出海軍裝備用鋰離子動力電池的研究已成為各國熱點，未來必將成為技術發展的主流。鋰離子電池重量比能為鉛酸電池的3倍，體積比能在2倍以上，且快速充電能力強、免維護，將鋰離子動力電池應用于潛艇，必將大幅提升潛艇的經航續航能力和高速機動能力，對提高潛艇的隱蔽性等綜合作戰能力具有很大的促進作用。

2.4 燃料電池

燃料電池是一個相當于內燃機-發動機組功能的電化學發電器，它以氧氣為氧化劑，氫氣或碳氫化合物轉換來的氫氣為燃料，將化學能直接轉換成電能供給電動機(原理見圖3)。與常規電池不同，燃料電池不經過熱機過程，不受卡諾循環的限制，因此其主要優點為效率高（能量轉化效率為40％～60％），零排放或少排放，噪音小等，被認為是未來的理想動力源，但是制造成本高，控制系統復雜。

圖3 燃料電池工作原理

燃料電池是W.Grove在1839年發明的，已歷時160多年，經歷了多次起伏，二十世紀六十年代美國NASA將燃料電池成功應用于宇宙飛船，1968年通用汽車公司試生產了第一輛燃料電池汽車，K.V.Kordesch在70年代研制了一輛用堿性H2-O2燃料電池和鉛酸蓄電池為動力的電動轎車，德國03年將世界上第一艘燃料電池潛艇投入試航。燃料電池的開發研究已受到世界各國政府和科學家的重視。

燃料電池作為潛艇AIP動力源，從2002年第一艘燃料電池AIP 潛艇下水至今已經有6艘在役，還有一些FC/AIP潛艇在建造中。2009年10月意大利軍方訂購的2艘改進型FC/AIP潛艇開始建造，潛艇水面排水量為1450噸，總長為56 m，最大直徑為7 m，額定船員24名，水下最大航速為20節，計劃在2015~2016 年開始服役。FC/AIP潛艇具有續航時間長、安靜、隱蔽性好等優點，通常柴油機驅動的潛艇水下一次潛航時間僅為2天，而FC/AIP潛艇一次潛航時間可達3周。這種潛艇用燃料電池是由西門子公司制造，采用鍍金金屬雙極板。212型艇裝載了額定功率為34 kW的燃料電池模塊，214型艇裝載了120 kW燃料電池模塊，額定工況下效率接近60%。

如上所述，國外燃料電池目前已經成功應用于航天、潛艇等特殊領域，且技術已相對成熟。在民用的氫空質子交換膜燃料電池發動機上，我國基本與國外處于同等水平。但是在面向特殊領域使用的氫氧質子交換膜燃料電池上，目前國內還沒有成功應用的實例。因此，在當前國內國際環境下，燃料電池在潛艇領域的應用及開發具有非常良好的前景。我國也應大力發展潛艇用燃料電池AIP系統，以滿足新型常規潛艇對水下經航動力的需求，大幅度提高潛艇水下一次續航力，提高潛艇的作戰能力。

3 結束語

隨著各種現役潛艇作戰性能的提高和新一代高性能潛艇以及各種潛水器的研制，對動力電池的能量密度、免維護等各種性能提出了更高的要求，而目前能夠投入實用的鉛酸蓄電池已經遠遠不能滿足這些新的要求，提高現有的鉛酸動力電池性能、探索新型動力電池意義重大。對潛艇動力電池研制加大投入力度，提高我國潛艇動力電池水平，將會大幅提升潛艇的作戰性能，也將為各種新概念武器研制打下堅實的基礎。

[1] 胡信國. 動力電池進展. 電池工業, 1997, (2): 113-118.

[2] 歷海燕, 李全安, 文九巴等. 動力電池的研究應用及發展趨勢. 河南科技大學學報（自然科學版）, 2005, (6): 35-39.

[3] 楊裕生. 動力電池發展中的若干個問題. 第四屆動力鋰離子電池技術及產業發展國際論壇, 2009.

[4] Advanced vehicle technology analysis and evaluation activities. Annual progress report. 2007. U.S. Department.

[5] Ray Ridley. The future of the electric car. Report of Ridley Engineering Inc. 2006.

Reviews on High Power Battery Technology for A Submarine

Fan Xin

(Wuhan Military Representatives Bureau of Navy Equipment Department, Wuhan 430064, China)

TM912.1

A

1003-4862（2014）12-0070-04

2014-10-20

范昕（1965-），男，高級工程師。研究方向：船舶電力系統及電磁兼容。